Technologia światłowodów
planarnych i włókien
światłowodowych
Prezentacja zawiera kopie folii omawianych na wykładzie. Niniejsze
opracowanie chronione jest prawem autorskim. Wykorzystanie
niekomercyjne dozwolone pod warunkiem podania źródła.
© Sergiusz Patela 1998-2001
Technologia światłowodów
planarnych i warstw optycznych
Prezentacja zawiera kopie folii omawianych na wykładzie. Niniejsze
opracowanie chronione jest prawem autorskim. Wykorzystanie
niekomercyjne dozwolone pod warunkiem podania źródła.
© Sergiusz Patela 1998-2001
(c) Sergiusz Patela 1995-2000
Technologia światlowodów planarnych
3
1 .Parowanie (radiacyjne lub z działa elektronowego)
2 .Napylanie warstw dielektrycznych
3. Osadzanie z roztworów
4. Polimeryzacja w wyładowaniu
5. Osadzanie chemiczne z fazy gazowej (CVD)
6. Hydroliza płomieniowa (FHD)
6. Dyfuzja domieszki
7. Wymiana jonowa
8. Implantacja jonów
9. Efekt falowodowy przy obniżeniu koncentracji nośników
10. Światłowody elektrooptyczne
11. Warstwy epitaksjalne
Zestawienie metod wytwarzania światłowodów planarnych
heterogeniczne
homogeniczne
półprzewodniki
(c) Sergiusz Patela 1995-2000
Technologia światlowodów planarnych
4
Parowanie (radiacyjne lub z działa elektronowego)
Przykład: Parowanie szkła C-7059, charakterystyka procesu technologicznego
Element procesu
Wartość
Uwagi
Metoda
Parowanie z działa elektronowego
Materiał źródłowy
Szkło Corning 7059
Podłoże
Utleniony krzem
> 2
µ
m. SiO
2
Ciśnienie
1x10-4 do 5x10-4 Torr (O
2
)
Dodanie O
2
zmniejszało tłumienie
Szybkość nanoszenia
1
÷
2 nm/s
Maksymalna grubość
3
÷
4
µ
m.
Bez pęknięć i utraty adhezji
Temperatura źródła
900
°
C
Pomiar pirometrem optycznym
Tłumienie warstwy
0.5 dB/cm
pomiar metodą podwójnego pryzmatu
Współczynnik załamania
1.50
pomiar elipsometrem 633 nm
Metody pomiaru składu
warstw
Mikrosonda elektronowa (zawartość
Al., Si, Ba), Neutron activation analysis
(zawartość B), Rutherford
backscattering (RBS) (profile składu Si i
Ba)
(c) Sergiusz Patela 1995-2000
Technologia światlowodów planarnych
5
Napylanie warstw dielektrycznych - zasada i materiały
O2+
Ta
Ar
Ar+
Ta2O5
Target tantalowy
Metodami napylania jonowego można
wykonać:
•Światłowód - podłoże:
•Corning-7059 -szkło /KDP
•Ta
2
O
5
- SiO
2
(utleniony krzem)
•Nb
2
O
5
- SiO
2
(topiony)
•ZnO - SiO
2
Ta
2
O
5
, Nb
2
O
5
można wykonać metodami
rozpylania jonowego lub utleniając warstwę
metalu.
(c) Sergiusz Patela 1995-2000
Technologia światlowodów planarnych
6
Ar
O
2
TARGET
CEWKA
MAGNETYCZA
STOLIK
PODŁOŻOWY
UKŁAD
PROZNIOWY
2 kV
H2O
Ar
w.cz.
H2O
TARGET
CEWKA
MAGNETYCZNA
STOLIK
PODŁOŻOWY
UKŁAD
PRÓŻNIOWY
O
2
układ dwuelektrodowy
DC
w.cz.
Napylanie warstw dielektrycznych - aparatura
(c) Sergiusz Patela 1995-2000
Technologia światlowodów planarnych
7
Osadzanie z roztworów
•
nanoszenie na powierzchni roztworu,
który wysychając tworzy cienką warstwę
(w tym metoda sol-gel)
•
nanoszenie na wirówkach
•
wolne, równomierne wyciąganie
podłoża z roztworu
•
Doktor-plating i metody rolkowe
•
Foliowanie
(c) Sergiusz Patela 1995-2000
Technologia światlowodów planarnych
8
Osadzanie z roztworów - przykłady
Materiał
Rozpuszczalnik
Tłumienie
λ
[
µ
m]
Fotorezyst
Aceton
Żywica epoksyd.
Rozp. firmowy
0,3 dB/cm
0.6328
Polimetylmetakrylat
Chloroform, toluen
Poliuretan
Ksylen
(c) Sergiusz Patela 1995-2000
Technologia światlowodów planarnych
9
Polimeryzacja w wyładowaniu
Ar
+HTMS,
lub
VTMS
ELEKTRODA
STOLIK
PODŁOŻOWY
UKŁAD
PRÓŻNIOWY
2
kV
H
2
O
Stosowane związki:
- winylo-trój-metylo-silan (VTMS n=1.531), CH2=CH-Si(CH3)3
- heksa-metylo-di-siloxan (HMDS n=1.4704), (CH3)3Si-O-Si(CH3)3
podłoża
- zwykłe szkło podstawkowe (n=1.512)
- szkło Corning 744 Pyrex (n=1.4704)
(c) Sergiusz Patela 1995-2000
Technologia światlowodów planarnych
10
Dyfuzja domieszki
1. Dyfuzja do niobianu litu
Ti:LiNbO
3
- dyfuzja z warstwy metalu (Ti) otrzymanego metodą rozpylania
jonowego. Tłumienie światłowodów 1 dB/cm.
Temperatura od 900 do 1150
o
C. w atmosferze argonu, azotu, tlenu lub
powietrza, czas dyfuzji od 0.5 do 30 h . W celu wyeliminowania dyfuzji na
zewnątrz tlenku litu z powierzchni próbki proces dyfuzji wykonuje się w
obecności pary wodnej.
2. Dyfuzja na zewnątrz (out-diffusion LiNbO
3
)
Out-dyfuzja polega na ubytku tlenku litu z kryształu LiNbO
3
. W miarę jak Li
2
O
‘wychodzi’ z kryształu, nadzwyczajny współczynnik załamania n
e
rośnie
3. Dyfuzja do szkieł
Dyfuzja do szkieł jest możliwa (np. Ag), ale zachodzi bardzo wolno.
Podwyższenie temperatury prowadzi do uszkodzenia (żółknięcie) szkła
4. Inne przykłady dyfuzji
Dyfuzja do półprzewodników: Cd:ZnSe, Cd, Se: ZnS (poniżej 3 dB/cm)
(c) Sergiusz Patela 1995-2000
Technologia światlowodów planarnych
11
Wymiana jonowa
SiO
2
: Na
+
+
K
+
, Ag
+
, Tl
+
AgNO
3
-
(c) Sergiusz Patela 1995-2000
Technologia światlowodów planarnych
12
Regulowane
źródło
napięcia
-
+
Miernik
temperatury
Mieszadło
Stopiona sól,
źródło jonów
Piec lub
grzejnik
Regulator
temperatury
Zlewka lub
tygiel
Jon
Promień [ A
o
]
Polaryzowal-
ność [ A
o
3
]
Szkło
Stopiona sól
Temperatura
[
°°°°
C]
∆∆∆∆
n
Tl
+
1.49
5.2
Boro-
krzemowe
TlNO
3
+ KnO
3
+
NaNO
3
530
0.001 do 0.1
K
+
1.33
1.33
Sodowe
KNO
3
365
0.008
Ag
1.26
2.4
Alumino-
krzemowe
(Alumino-
silicate)
AgNO
3
225-270
0.13
Na
+
0.95
0.43
*
Wymiana jonowa w szkłach
(c) Sergiusz Patela 1995-2000
Technologia światlowodów planarnych
13
wskaznik
temperatury
rejestrator
uklad reg.
temperatury
zasilacz
grzejnika
pokrywka
tygiel
uchwyt probki
probka
grzejnik
piec
Schemat aparatury do otrzymywania swiatlowodow metoda wymiany jonow
kapiel-zrodlo jonow (kwas benzoesowy) w 200 - 250 C
źródłem protonów jest t stopiony kwas benzoesowy C
6
H
6
COOH
LiNbO
3
+ xH
→
Li
1-x
H
x
NbO
3
+ xLi
+
Wymiana protonów w niobianie litu
(c) Sergiusz Patela 1995-2000
Technologia światlowodów planarnych
14
Implantacja jonów
źródło jonów
ekstraktor, wstępny
stopień przyspieszania
elektromagnes
płytka ze
szczeliną
końcowy stopień
przyspieszania
układy
odchylania
przesuwna
puszka Faradaya
komora
tarczowa
4,3 m
2 m
(c) Sergiusz Patela 1995-2000
Technologia światlowodów planarnych
15
ASOC - zastosowanie implantacji jonów
ASOC = Active Silicon Integrated Optical Circuits
Technologia wytwarzania światłowodów oparta o
technologę półprzewodnikową SOI (Silicon on
Insulator). Umożliwia wytwarzanie małostratnych
światłowodów dla zakresów 1300nm i 1550nm
(c) Sergiusz Patela 1995-2000
Technologia światlowodów planarnych
16
Efekt falowodowy przy obniżeniu koncentracji nośników
W półprzewodnikach zmniejszenie koncentracji nośników powoduje
zwiększenie współczynnika załamania.
W strukturach gdzie współczynnika załamania warstwy n
f
i podłoża
n
s
są w przybliżeniu równe, zmiana współczynnika załamania
wywołana zmianą koncentracji nośników wyraża się wzorem:
∆
n = n
f
- n
s
= (N
s
- N
f
) e
2
/ (2 n
f
ε
o
m*
ω
2
)
gdzie N
s
, N
f
- koncentracje swobodnych nośników
m* - masa efektywna
ω
- częstość światła
e - ładunek elektronu
(c) Sergiusz Patela 1995-2000
Technologia światlowodów planarnych
17
Światłowody elektrooptyczne
W podłożu GaAs o orientacji <100> zmiana współczynnika
załamania dla polaryzacji TE, wyraża się wzorem:
∆
n = n
3
r
41
(V / 2t)
(Dla polaryzacji TM zmiana współczynnika załamania wyniesie 0)
gdzie: V - napięcie, t - grubość światłowodu, r - współczynnik elektrooptyczny
(c) Sergiusz Patela 1995-2000
Technologia światlowodów planarnych
18
Techniki wzrostu epitaksjalnego - porównanie
LPE
MOCVD
MBE
Stopy Al.
Możliwe
Możliwe
Możliwe
Szybkość wzrostu (
µ
/min)
0.1
÷
10
0.005
÷
1.5
few
÷
0.05
Grubość minimalna (Å)
500
20
5
Jednorodność
dobra
dobra
dobra
Jakość powierzchni
zła
dobra
dobra
Ostrość interfejsu
zła
dobra
b. dobra
Zakres domieszkowania (cm
-3
)
10
14
÷
10
19
10
14
÷
10
19
10
14
÷
10
19
Wydajność procesu
mała
duża
bardzo
mała
(c) Sergiusz Patela 1995-2000
Technologia światlowodów planarnych
19
Wytwarzanie struktur optoelektroniki zintegrowanej
(światłowody)
MASKA
UV
NASWIETLANIE
METALIZACJA
LIFT-OFF
DYFUZJA
WARSTWA BUFOROWA
LiNbO
3
WYWOLANIE
LiNbO
3
LiNbO
3
LiNbO
3
LiNbO
3
LiNbO
3
(c) Sergiusz Patela 1995-2000
Technologia światlowodów planarnych
20
Współczynniki załamania wybranych materiałów
materiał
n
powietrze
1.0003
woda
1.333
CaF
2
1.434
BaF
2
1.474
szkło
1.5-1.9
kwarc syntetyczny (topiony kwarc)
1.458
kwarc krystaliczny
1.544 (n
o
), 1.553 (n
e
)
kalcyt 1.658 (n
o
), 1.486 (n
e
)
szafir (Al
2
O
3
)
1.769
diament2.417
krzem 3.478 (1.55 µm)
Si
3
N
4
2
ZnSe
2.624
ZnSe
2.403 (10.6 µm)
SiO
x
N
y
1,5 - 1,95
Współczynniki załamania dla 589.3 nm w temperaturze pokojowej
Technologia światłowodów włóknistych
Technologia światłowodów włóknistych
Kable światłowodowe
Kable światłowodowe
Prezentacja zawiera kopie folii omawianych na wykładzie. Niniejsze
opracowanie chronione jest prawem autorskim. Wykorzystanie
niekomercyjne dozwolone pod warunkiem podania źródła.
© Sergiusz Patela 1999-2003
(c) Sergiusz Patela 1995-2000
Technologia światlowodów planarnych
22
Tłumienie światłowodu ze szkła krzemionkowego
Rozpraszanie Rayleigha ~
λ
-4
Absorpcja O H
-
2.
Absorpcja
molekularna:
tlenki Si,
G e,P,B
Cr
++
Fe
++
0.6 0.8 1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
0.3
0.5
1
0.1
3
5
10
30
50
Długosc fali
Tłum ienie
[dB/km ]
3.
mokre szkło
suche szkło (1 ppb O H
-
)
(c) Sergiusz Patela 1995-2000
Technologia światlowodów planarnych
23
Właściwości szkła kwarcowego
Wzór chemiczny SiO
2
Minimalne tłumienie włókna 0,2 dB/km
Przerwa energetyczna topionego kwarcu 9 eV (~137 nm)
(Szkło z tlenku germanu 185 nm)
Krawędź absorpcji w podczerwieni (pasma wibracyjne) ~2
µ
m
Rozpraszanie Rayleigh ~
λ
-4
Absorpcja w podczerwieni na jonach OH
-
: podstawowa 2.27 i
harmoniczne 1.37, 0.95 i 0.725
µ
m
(c) Sergiusz Patela 1995-2000
Technologia światlowodów planarnych
24
Struktura szkła kwarcowego
Struktury krysztalu kwarcu:
przedstawiono dwuwymiarowa siec
krystaliczna
modyfikatory
Struktura szkla kwarcowego. W
porównaniu ze struktura kwarcu
ulegla zmianie po dodaniu
modyfikatora lub przetopieniu. W
zaprezentowanej strukturze
wystepuja fluktuacje gestosci i
skladu szkla - i w konsekwencji
fluktuacje wspólczynnika
zalamania.
(c) Sergiusz Patela 1995-2000
Technologia światlowodów planarnych
25
Metody wytwarzania światłowodów włóknistych
1. Metoda podwójnego tygla
2. Metoda zewnętrznego osadzania szkła (OVD, "soot")
3. Metoda wewnętrznego osadzania szkła (MCVD, PCVD)
4. Metoda pionowego osadzania szkła (VAD - vapour phase
axial deposition)
(c) Sergiusz Patela 1995-2000
Technologia światlowodów planarnych
26
Reakcje chemiczne wykorzystywane w procesach
CVD (osadzania szkła)
Reakcje podwyższające współczynnik załamania szkła
SiCl
4
+ O
2
→
SiO
2
+2Cl
2
GeCl
4
+ O
2
→
GeO
2
+2Cl
2
4POCl
3
+ 3O
2
→
2P
2
O
5
+6Cl
2
Reakcje dające szkło o małym współczynniku załamania
SiCl
4
+ O
2
→
SiO
2
+2Cl
2
4BCl
3
+ 3O
2
→
2B
2
O
3
+6Cl
2
(c) Sergiusz Patela 1995-2000
Technologia światlowodów planarnych
27
Metoda podwójnego tygla
szkło:
rdzenia
płaszcza
obszar
dyfuzji
dysza: wewnętrzna
zewnętrzna
R = 0,5 do 1,5 mm
R = 2 do 3 mm
(c) Sergiusz Patela 1995-2000
Technologia światlowodów planarnych
28
Wytwarzanie preformy - osadzanie zewnętrzne.
OVD „soot”
Po naniesieniu warstw centralny
pręt-wspornik jest usuwany
SiCl
4
, CH
4
,
O
2
, etc.
Pręt-
wspornik
Soot preform
(c) Sergiusz Patela 1995-2000
Technologia światlowodów planarnych
29
Osadzanie osiowe (VAD)
Uwaga: proces stosowany
do produkcji włókien
jednomodowych
Uchwyt
Czyste powietrze
Monitor
Analizator
średnicy
SiCl
4
, O
2
, H
2
SiCl
4
, O
2
, H
2
SiCl
4
, GeCl
4
, O
2
, H
2
Czujnik
ciśnienia Powietrze
Zawór
Profil
preformy
Kontroler
Wylot gazów
Kamera
Pirometr
Sprzężenie
zwrotne
(c) Sergiusz Patela 1995-2000
Technologia światlowodów planarnych
30
Osadzanie metodą MCVD (lub IVD)
Rura ze szkła
krzemionkowego
Reagenty
gazowe
Osadzane szkło
Palnik wodorotlenowy
Przesuw palnika
Rotacja rury
Narost cząsteczek
przed palnikiem
Wylot
1600°C
SiCCl
4
, GeCl
4
, O
2
Cl
2
, O
2
, SiO
2
(c) Sergiusz Patela 1995-2000
Technologia światlowodów planarnych
31
Kolaps i tworzenie preformy
Procesy MCVD i OVD wymagają
przeprowadzenia operacji zasklepiania rury
(c) Sergiusz Patela 1995-2000
Technologia światlowodów planarnych
32
Urządzenie do wyciągania światłowodów
Precyzyjne
urządzenie
podające
Piec
Kontrola średnicy rdzenia
Przesuw bębna
Układ
sterowania
Piec
suszący
pokrycie
Precyzyjny
bęben
odbierający
(c) Sergiusz Patela 1995-2000
Technologia światlowodów planarnych
33
Preferowane technologie i najwięksi producenci
2 mln km
Siecor
4 mln km
AT&T (Lucent)
6 mln km
Corning
Najwięksi producenci światłowodów (1996)
2%
MCVD-plazma
2%
PCVD
23% rośnie
VAD
23% maleje
MCVD
50% rośnie
OVD
Preferowane technologie produkcji światłowodów
(c) Sergiusz Patela 1995-2000
Technologia światlowodów planarnych
34
Polscy wytwórcy światłowodów i kabli
światłowodowych
Światłowodowe kable telekomunikacyjne
• Fabryka Kabli "Ożarów", (Elektrim-kable)
• OTO-Lublin, Telekomunikacja Polska SA, Ośrodek Techniki
Optotelekomunikacyjnej
• Zakłady kablowe Tele-Fonika, Zakład kabli światłowodowych,
Myślenice
Światłowody plastikowe
• Fibrochem, Lublin
(c) Sergiusz Patela 1995-2000
Technologia światlowodów planarnych
35
Możliwości produkcyjne
„Mała” firma
Włókno jednomodowe - 15 000 do 20 000 km/ miesiąc
Włókno wielomodowe - 1 500 do 2 000 km/ miesiąc
Cena od 30 USD/km
(c) Sergiusz Patela 1995-2000
Technologia światlowodów planarnych
36
3000 obr/min,
70
o
C
50 obr/min, 95
o
C
24 godziny
110
o
C
24 godziny
Wyciąganie włókna -160
o
C... 230
o
C
Wytwarzanie preformy światłowodu plastikowego
(c) Sergiusz Patela 1995-2000
Technologia światlowodów planarnych
37
1. Wytłaczanie współbieżne (coextrusion)
2. Wyciąganie z preformy
granulowany materiał
płaszcza
granulowany materiał
rdzenia
wytłaczarki
wałek napędowy
bęben
pomiar średnicy
światłowód
plastikowy
wałek napędowy
bęben
pomiar średnicy
światłowód
plastikowy
preforma
piec
Metody wytwarzania światłowodów plastikowych
(c) Sergiusz Patela 1995-2000
Technologia światlowodów planarnych
38
Właściwości - światłowody jednomodowe*
Dyspersja
* Na podstawie danych katalogowych światłowodu jednomodowego Corning SMF-28 i
standardu ITU G.652
Tłumienie dopuszczalne
wg. normy:
<0.5 dB/km - 1310 nm
<0.4 dB/km - 1500 nm
Tłumienie typowe wg.
katalogu:
< 0.35 dB/km - 1300 nm
< 0.25 dB/km - 1550 nm
długość fali (nm)
Max. dysp. chrom.
(ps/km.nm)
1288-1339
3.5
1271-1360
5.3
1550
18
(c) Sergiusz Patela 1995-2000
Technologia światlowodów planarnych
39
Właściwości - światłowody wielomodowe
Tłumienie dopuszczalne
wg. normy:
<4 dB/km - 850 nm
<2 dB/km - 1300 nm
* Na podstawie danych katalogowych światłowodu Corning i standardu ITU G.651
Uwagi. Standard telekomunikacyjny ITU.651 zaleca światłowód 50/125. Standardy sieciowe
np. IEEE 802.3 dopuszczają inne światłowody wielomodowe.
Tłumienie typowe wg.
katalogu:
<2,5 dB/km - 850 nm
<0,8 dB/km - 1300 nm
Dyspersja dla światłowodu wielomodowego definiowana jest w
dziedzinie częstotliwości:
wg normy:
katalogowa
>200 MHz/km - 850 nm
do 600 MHz/km - 850 nm
>200MHz/km - 1300 nm
do 800 MHz/km - 1300 nm
(c) Sergiusz Patela 1995-2000
Technologia światlowodów planarnych
40
Właściwości - światłowody plastikowe
Materiał: PMMA
Typ światłowodu: skokowy
Tłumienie: 0,15 dB/m. (650 nm, standard communication grade
fibers)
Teoretyczne minimum tłumienia (absorpcja molekularna +
rozpraszanie Rayleigha) 37dB/km (516nm), 35dB/km (568nm),
106dB/km (650nm)
Dyspersja (660nm):
materiałowa - 7,8 ns/km (
∆λ
20nm), 0,78 ns/km (
∆λ
2nm)
modowa - 240 ns/km (NA 0,5), 10 ns/km (NA 0,1)
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
0100
0100
fce june2000 0100 0102 MCJX5EWX3UXGBFTJL76OV4MUUB5V3XFILOKFXUI
IMG 0100
Test z WPP wersja 0100, Psychologia WSFiZ, Wyższe Procesy Poznawcze
0100
CCF20121206 0100
20 0100 wymiana płynu chłodzącego M103
0100
0100
0100 2
0100 (2)
0100 2
lib 0100
CCF20121206 0100
FCE Examination Report Dec 2000 0100 0102
więcej podobnych podstron